套管張緊器安裝平臺(tái)使用工況強(qiáng)度分析

王可竹，馮　浩

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

套管張緊器安裝平臺(tái)使用工況強(qiáng)度分析

王可竹，馮浩

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

摘要：按照套管張緊器安裝平臺(tái)使用的2種工況，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)安裝平臺(tái)的強(qiáng)度和變形進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)上存在一些不足，針對(duì)設(shè)計(jì)上的缺陷，提出采用筋板加強(qiáng)的改進(jìn)方案，經(jīng)過(guò)有限元分析驗(yàn)證，確認(rèn)改進(jìn)方案是安全可靠的。同時(shí)，對(duì)安裝平臺(tái)材料板厚進(jìn)行優(yōu)化，安裝平臺(tái)重量明顯降低。

關(guān)鍵詞：套管張緊器安裝平臺(tái)；使用工況；有限元分析；筋板

套管張緊器系統(tǒng)是海洋石油鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一，連接鉆井平臺(tái)和隔水套管，在鉆井過(guò)程中，給隔水套管頂部施加恒張緊力，保護(hù)隔水套管由于海浪和海流的沖擊產(chǎn)生的變形影響，確保整個(gè)鉆井系統(tǒng)在安全可靠的條件下完成鉆井流程。套管張緊器系統(tǒng)包括: 套管張緊器、套管張緊器安裝平臺(tái)、蓄能器、液壓動(dòng)力站及電氣控制系統(tǒng)。套管張緊器安裝平臺(tái)是安放套管張緊器的部件，當(dāng)套管張緊器為隔水套管頂部建立起恒張緊力時(shí)，安裝平臺(tái)將承受套管張緊器傳遞過(guò)來(lái)的全部負(fù)載。鉆井過(guò)程中，套管張緊器有3個(gè)工作位置，安裝平臺(tái)承載區(qū)域變化對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。目前，國(guó)產(chǎn)自升式鉆井平臺(tái)所裝備的套管張緊系統(tǒng)大多數(shù)是國(guó)外產(chǎn)品，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備研制生產(chǎn)還處于探索階段，也鮮見對(duì)套管張緊器安裝平臺(tái)在使用工況條件下的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行分析的報(bào)道，為此，以一款套管張緊器安裝平臺(tái)為例，按照實(shí)際工況，采用ANSYS有限元計(jì)算，驗(yàn)證現(xiàn)有安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[1-2]。

1平臺(tái)結(jié)構(gòu)和使用工況

1.1套管張緊器安裝平臺(tái)

套管張緊器(conductor tensioner unit，CTU)的核心部件包括4組豎直張緊油缸，給隔水管施加垂直向上的張緊力；4個(gè)水平輔助支撐，給隔水管施加水平方向的輔助支撐力；1個(gè)基座，4套CTU定位銷。

套管張緊器安裝平臺(tái)(conductor tensioner platform，CTP)的主要部件包括1個(gè)矩形框架，2套滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，4個(gè)提升油缸。

CTU基座橫跨安裝在CTP的底梁上，與2套滑動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用，CTU可以在CTP底梁上左右移動(dòng)，CTU的4角各安裝1套由油缸驅(qū)動(dòng)的定位銷，CTU兩側(cè)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上各裝2套同樣的定位銷，鉆井過(guò)程中，CTU及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上的定位銷插入CTP底梁上的定位孔中實(shí)現(xiàn)CTU與CTP可靠固定。移動(dòng)井位時(shí)，在滑動(dòng)機(jī)構(gòu)水平油缸的帶動(dòng)下，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和CTU上定位銷間隔插入底梁的定位孔即可實(shí)現(xiàn)井位的移動(dòng)，見圖1。

圖1　套管張緊器安裝平臺(tái)工況示意

1.2使用工況

一般情況下，鉆井平臺(tái)有3個(gè)鉆井施工位置，鉆井過(guò)程中CTU移動(dòng)到其中某個(gè)位置進(jìn)行隔水套管頂部張緊操作，同時(shí)，4個(gè)水平布置的輔助支撐伸出，給隔水套管施加水平方向的輔助支撐力[3-4]，具體工況有2種(見圖1)，工況1：CTU位于CTP的中部，工況2：CTU位于CTP的兩側(cè)。

2平臺(tái)模型

2.1主要技術(shù)參數(shù)

CTU和CTP的總重：92 t；

CTU最大垂直張緊力：2 721 kN；

CTU最大水平輔助支撐力：350 kN；

CTP矩形框架長(zhǎng)度：L=14 380 mm；

CTP主材料：EH36;

主材料EH36的屈服強(qiáng)度355 MPa，安全系數(shù)：1.67[4]；

屈服強(qiáng)度的許用值[σs]=212.5 MPa；

結(jié)構(gòu)變形的允許范圍[f]=14.38 mm[5]。

2.2分析模型

CTU給隔水套管施加垂直方向的張緊力通過(guò)基座,以反作用力Fy傳遞給CTP結(jié)構(gòu)；CTU給隔水套管施加水平方向的輔助支撐力，也通過(guò)基座以反作用力Fx、Fz傳遞給CTP結(jié)構(gòu)，CTP結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁(見圖2)，由于工況2的兩端位置距離相同，所以選取1種工況計(jì)算即可。

圖2　套管張緊器安裝平臺(tái)分析模型

3計(jì)算分析

計(jì)算時(shí)對(duì)CTP的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅剩1個(gè)矩形框架，在使用時(shí)，固定在甲板月池區(qū)域的4個(gè)插銷插入CTP上部4個(gè)插銷孔，將CTP固定，因此， CTP的矩形框架插銷孔節(jié)點(diǎn)沿Y向被約束，CTP矩形框架的X中心面和Z中心面作為對(duì)稱面同時(shí)也被約束。用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，選擇SHELL63單元，定義不同的實(shí)常數(shù)R來(lái)反映板材的厚度，采用自底向上的建模方法，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，由點(diǎn)生成面，從而建立完整的張緊器平臺(tái)模型[6-8]。

按照上述分析模型定義CTP和CTU的接觸面。在接觸面分別施加3個(gè)方向載荷Fx、Fy、Fz，構(gòu)成載荷組合，進(jìn)行強(qiáng)度分析和變形計(jì)算[8-9]現(xiàn)有方案應(yīng)力見圖3。

圖3　現(xiàn)有方案應(yīng)力

由圖3可見，2種工況下CTP平臺(tái)最大應(yīng)力和變形分別為

工況1：

σs1max=275 MPa<σs；Δf1=4.2 mm<[f]；

工況2：

σs2max=277 MPa<σs；Δf2=2 mm<[f]。

2種工況下，最大應(yīng)力值雖然小于材料的屈服強(qiáng)度值，但是均超過(guò)許用值，最大值出現(xiàn)在底梁上的定位孔處。將平臺(tái)底梁上的定位孔全部封閉，重新分析計(jì)算，分析得到的最大應(yīng)力值小于許用值，采用理論計(jì)算，最大應(yīng)力的計(jì)算值也是小于許用值。因此定位孔處結(jié)構(gòu)是造成應(yīng)力增加的原因，在計(jì)算中有可能被忽略了。

另外，圖4的結(jié)構(gòu)顯示，直接承載的下橫梁是焊接在大梁的腹板上(底梁由大梁和下橫梁焊接而成)，腹板上的淺色區(qū)域應(yīng)力較大，大梁結(jié)構(gòu)的其它區(qū)域應(yīng)力偏小，加載后，下橫梁載荷傳遞到腹板上，而不是傳遞到整個(gè)大梁上，因此整個(gè)大梁沒(méi)有被有效使用，基于上述原因，下橫梁和大梁結(jié)構(gòu)需要局部設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖4　下橫梁變形

4改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1出現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域的解決方案

根據(jù)上述分析，最大載荷出現(xiàn)在CTU平臺(tái)和CTP底梁接觸的定位孔上。當(dāng)CTU系統(tǒng)在正常鉆井過(guò)程中CTU定位銷插入CTP底梁定位孔進(jìn)行定位，張緊過(guò)程中由于外載作用CTP底梁出現(xiàn)變形，因而在定位銷和定位孔的接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此對(duì)底梁結(jié)構(gòu)的受載區(qū)域進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在CTU的3個(gè)工作井位CTU平臺(tái)和底梁接觸區(qū)域增加筋板，具體是CTU基座與CTP矩形框架的底梁每個(gè)接觸點(diǎn)的兩側(cè)對(duì)稱焊接2個(gè)筋板，參見圖5(為清晰顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)隱藏)，同時(shí)對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的CTP進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5　中間井位筋板增加前后對(duì)比

加筋板后重新分析的結(jié)果為

工況1：

σs1max=183 MPa<[σs]；Δf1=3.9 mm<[f]；

工況2：

σs2max=139 MPa<[σs]；Δf2=1.8 mm<[f]。

強(qiáng)度及變形都滿足要求，因此改進(jìn)方案有效。

4.2CTP結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于加筋板后2種工況下的最大應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力值之間有一定數(shù)值差，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的材料尺寸安全系數(shù)還有盈余，具備減重條件，因此設(shè)計(jì)3種方案對(duì)材料板厚進(jìn)行優(yōu)化[9]，參見表1。

表1　CTP矩形框架材料的板厚優(yōu)化方案

按照表1的數(shù)據(jù)，對(duì)CTP矩形框架模型進(jìn)行修改，重新分析計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。3種板厚優(yōu)化方案最大應(yīng)力值計(jì)算值見圖6，第3種方案的最大應(yīng)力最接近許用值而且其重量最小，是最佳方案，第3種方案的應(yīng)力見圖7，采用該方案，重量可減少4.95 t。

圖6　CTP的最大應(yīng)力與重量的關(guān)系

圖7　優(yōu)化方案3應(yīng)力圖

工況1：

σs1max=203 MPa<[σs]；Δf1=4.2 mm<[f]；

工況2：

σs1max=174 MPa<[σs]；Δf2=1.97 mm<[f]。

優(yōu)化減重后的CTP強(qiáng)度及變形均滿足要求。

5結(jié)論

1) 現(xiàn)有張緊器安裝平臺(tái)強(qiáng)度基本滿足要求，但在承載區(qū)域結(jié)構(gòu)存在缺陷。

2) 提出的改進(jìn)方案在承載區(qū)域焊接加強(qiáng)筋板，分析結(jié)果表明該方案滿足使用要求，改善了原方案結(jié)構(gòu)上存在的不足。

3) 通過(guò)對(duì)改進(jìn)方案的分析發(fā)現(xiàn)，承載部位之外的區(qū)域，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于許用值，用Ansys對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化，所得到的最終方案在滿足強(qiáng)度要求的前提下，重量減輕了10%。

4) 運(yùn)用ANSYS分析找到了CTP在使用過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于CTP在使用期的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有指導(dǎo)意義。

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Strength Analysis of Conductor Tensioner Platform in Different Working Conditions

WANG Ke-zhu, FENG Hao

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract:According to the two working conditions of the conductor tensioner platform, the structural strength and deformation are assessed by finite element method in ANSYS. Some deficiencies are found in the existing platform. A improved design is proposed by using stiffened plate, which is verified by the FE assessment. At same time, the scantlings of the platform members are optimized, so as to decreased the platform's weight obviously.

Key words:conductor tensioner platform; working condition; finite element analysis; rib plate

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.027

收稿日期：2015-11-16

第一作者簡(jiǎn)介：王可竹(1964—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師 E-mail:wangkezhu@zpmc.net

中圖分類號(hào)：U674.38；TE951

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0118-04

修回日期：2015-12-16

研究方向:海洋石油鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)